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PCB设计连接线的规格化技术

更新时间:2015-12-16 09:54:00  点击次数:921次 打印

导线的规格参数可以很容易地从各种资料中获得,但如何用这些参数来计算印制板连接线的电阻呢?本文将介绍在PCB设计中利用导线规格与印制板连接线尺寸之间的关系,以及电阻与尺寸及温度之间的函数关系来计算连接线的电阻。

从各种出版物和手册中可以获得与尺寸相关的导线电气参数(通常称为导线规格)的大量信息,但如何用这些信息来分析印刷电路板连接线参数的资料却很少。下文将介绍导线规格和连接线面积之间的关系,以及如何利用连接线电阻与尺寸和温度之间的函数关系。

美国导线规格(AWG)体系于1857年由J.R. Brown建立,称为Brown & Sharp(B&S)规格。从导线的生产工艺可以知道,导线是通过一系列直径逐渐减小的孔拉制而成,导线的规格大致反映了拉制所需要的步骤数。例如一个规格为24的导线比规格为20的导线多拉4次,表中所列为目前导线规格及其相应的直径和横截面面积。

在所有的资料中并没有对这些步骤进行具体定义,但有一点是一致的:规格0000 (4/0),其直径定义为0.4600英寸;规格36,其直径为0.0050英寸。其它规格的几何尺寸都介于两点之间。如果这些尺寸均匀分布,则任何两个相邻直径之间的比值可由下式得出(注意:在规格0000和规格36之间共有39级)。

实际上,各规格的直径并不是均匀分布的。表中任何两个相邻直径之间的比值与该公式的计算结果很相近,但多级后就会因为误差累积而产生很大的偏差,因此利用上式的计算值是近似值而不是实际值。
计算方程式

在直径、直径常用对数与导线规格的曲线图中,可见直径的增长有一定规则,导线直径的对数与导线规格曲线几乎是直线。该曲线的方程为:规格 = -9.6954 - 19.8578×Log10(d),其中d为导线直径,单位为英寸。
印制电路板连接线的横截面是长方形而不是圆形。因此,能定义以横截面面积为变量的等式如下:规格 = 1.08 + 0.10×Log10(l/a),其中a为横截面面积,单位为平方英寸。

当导线的横截面面积已知时,通过上式可以计算出等效的导线规格。相反地,在导线规格已知时,通过下式可以计算出连接线的横截面面积:面积 = l/(10(10×规格- 10.8))

导线电阻

在导线规格表中常会提供相关规格的一些参数值。通过这些参数值可以估计某一长度导线的电阻。而连接线电阻的计算比导线电阻的计算稍微复杂。每种金属都有一个电阻系数(有时也称为特征电阻),电阻系数、导线长度、横截面面积与电阻之间的关系为:R=ρ×l/a,其中R为电阻,单位为欧姆,l为导线长度, a为横截面面积。电阻系数的单位由欧姆和长度单位来表示。纯铜的电阻系数通常为:ρ=1.724 (微欧-厘米)或ρ=0.6788 (微欧-厘米)。

用该参数可以计算出任何铜连接线的电阻,即用电阻系数除以连接线的横截面面积,并乘以连接线长度。但是必须注意,电阻系数随温度变化,通常所给的电阻系数为20℃时的电阻系数。因此,用该电阻系数计算出的电阻值为20℃环境温度下的电阻。

连接线的电阻随温度而增大,称为“电阻温度系数”的参数可表明这种变化的大小,用下式可计算出该参数对电阻大小的影响:R2/R1 = 1 + 0.00393×(T2-T1);

其中R1和T1分别为基准电阻和基准温度(单位为℃),T2是新温度,R2是在新温度下的电阻。

所有这些计算很繁琐。UltraCAD Design公司推出了一种免费的计算工具,利用该工具,在给定一条连接线的等效导线规格、厚度或宽度中任意两个参数条件下,可以计算出另一个参数。它还可以在给定长度和温度的情况下计算连接线的电阻,在给定电流时计算连接线上的电压降。

焊锡层

最后,我们分析一下焊锡层对连接线电阻的改变。任何导体的电阻都是其电阻系数的函数,分析时可将连接线和焊锡层视为并联导体。假设焊锡层和连接线具有相同的宽度和长度,只需考虑连接线和焊锡层的厚度。

铜的电阻系数为1.724微欧-厘米,而锡的电阻系数为11.5微欧-厘米,比铜高出6.7倍。铅的电阻系数为22微欧-厘米,比铜约高出13倍。因此,根据焊锡中锡和铅的含量比例,焊锡层的电阻系数约比相同厚度的铜连接线高10倍。

由于导体之间的分流大小与电阻成反比,在相同厚度的铜线和焊锡层下,约90%的电流流过铜线(剩余的电流通过焊锡层),因此,通常在非精确测量时可以忽略焊锡层对连接线电阻和压降的影响。

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